DE19947805A1 - Vorrichtung zum Schalten von Wechselströmen - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung dient zum Schalten von Wechselströmen und weist mindestens ein elektrisch ansteuerbares Schaltelement auf. Darüber hinaus sind Verbindungsanschlüsse für eine Last sowie für eine Wechselstromversorgung vorgesehen. Das Schaltelement ist als ein Transistor ausgebildet, dessen DRAIN-Anschluß oder Emitter an einen ersten Brückenzweig einer Diodenstrecke und dessen Source-Anschluß oder Kollektor an einen zweiten Brückenzweig der Diodenstrecke angeschlossen ist. Jeder Brückenzweig enthält mindestens zwei ausgehend von den Anschlüssen des Transistors in Stromflußrichtung gegensinnig angeordnete Dioden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten von Wechselströmen, die mindestens ein elektrisch an­ steuerbares Schaltelement und Verbindungsanschlüsse für eine Last sowie eine Wechselstromversorgung aufweist.

Zum Schalten von Wechselströmen mit kleineren Strom­ stärken werden typischerweise mechanische Schalter ver­ wendet. Insbesondere im Bereich der Gerätetechnik sind derartige Schalter in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Zum Schalten von größeren Wechselströmen wer­ den üblicherweise Schütze verwendet, die im wesentli­ chen ebenfalls aus mechanischen Schaltkontakten beste­ hen, die elektromagnetisch betätigbar sind.

Im Bereich der Gleichstromtechnik werden als Schalter typischerweise elektronische Bauelemente verwendet, beispielsweise bipolare Transistoren oder Feldeffekt- Transistoren. Bei Verwendung dieser Bauelemente werden manuell nur kleine Schaltelemente zum Schalten der Steuerströme dieser elektronischen Schalter betätigt.

Zur direkten Schaltung von Wechselströmen mit Hilfe elektronischer Bauelemente ist bereits die Verwendung von Triacs bekannt. Derartige Bauelemente sowie ver­ gleichbare Bauelemente benötigen jedoch Ansteuerströme, so daß auch bei einem Standby-Betrieb ein ungünstiger Wirkungsgrad vorliegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor­ richtung der einleitend genannten Art derart zu kon­ struieren, daß eine elektrische Schaltung von Wechsel­ strömen bei minimaler Leistungsaufnahme ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltelement als ein Transistor ausgebildet ist, dessen Eingang an einen ersten Brückenzweig einer Di­ odenstrecke und dessen Ausgang an einen zweiten Brüc­ kenzweig der Diodenstrecke angeschlossen ist und bei der jeder Brückenzweig jeweils mindestens zwei ausge­ hend von den Anschlüssen des Transistors in Strom­ flußrichtung gegensinnig angeordnete Dioden aufweist.

Durch die Anordnung der Diodenzweige sowie die entspre­ chende Verkettung der Zweige über den Transistor ist es möglich, in Abhängigkeit von der Polarität der Wech­ selspannung einen Wechselstrom durch die Last unter wechselnder Nutzung der jeweiligen Dioden zu ermögli­ chen und gleichzeitig für eine stets gleiche Strom­ flußrichtung durch den Transistor zu sorgen. Bei einem ausgeschalteten Transistor wird der Stromfluß durch die Last unterbrochen, da eine Verbindung der Brückenzweige der Diodenschaltung ebenfalls unterbrochen ist und durch die gegensinnige Anordnung der Dioden bezüglich ihrer Stromflußrichtungen in den einzelnen Brückenzwei­ gen kein Stromfluß möglich ist.

Zur Unterstützung einer bauartgemäßen Beschaltung des Transistors wird vorgeschlagen, daß die in Strom­ flußrichtung gegensinnige Anordnung der Dioden derart realisiert ist, daß bei wechselnder Polarität des Wech­ selstromnetzes eine stets gleiche Stromflußrichtung durch den Transistor realisiert ist.

Ein besonders hoher energetischer Wirkungsgrad läßt sich dadurch erreichen, daß der Transistor als ein Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Transistor als ein bipolarer Transistor ausgebildet ist.

Zur Gewährleistung einer von der Polarität der Wechsel­ stromversorgung unabhängigen Polarität am Transistor wird vorgeschlagen, daß parallel zur Basis-Kollektor- Strecke ein Kondensator schaltbar ist.

Eine Steuerpotentialzuführung zur Basis des Transistors kann dadurch erfolgen, daß der Kondensator über die Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Diode an einen Phasenanschluß des Wechselstromnetzes angeschlos­ sen ist.

Zur Begrenzung der Steuerspannung des Transistors ist vorgesehen, daß parallel zum Kondensator eine Zener- Diode geschaltet ist.

Eine mögliche Aktivierung des Transistors kann dadurch erfolgen, daß die am Kondensator anliegende Spannung über einen Widerstand und einen Schalter an die Basis- Kollektor-Strecke des Transistors anlegbar ist.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß der Schalter den Kondensator mit der Basis des Transistors verbindet und daß der Widerstand parallel zur Basis- Kollektor-Strecke des Transistors geschaltet ist.

Alternativ ist auch daran gedacht, daß der Widerstand den Kondensator mit der Basis des Transistors verbindet und daß der Schalter parallel zur Basis-Kollektor- Strecke des Transistors geschaltet ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel zur Realisierung der Vorrichtung unter Verwendung eines Feldeffekt- Transistors und

Fig. 2 eine gegenüber. Fig. 1 leicht abgewandelte Schaltungsanordnung.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist eine Last an ein Wechselstromnetz mit einem Null-Leiter (N) und einem Phasenleiter (L) angeschlossen. Die Last ist da­ bei in Reihe mit einer Diodenstrecke geschaltet, die aus einem ersten Brückenzweig mit einem zweiten Brüc­ kenzweig ausgebildet ist, wobei die beiden Brückenzwei­ ge einander parallel geschaltet sind. Der erste Brüc­ kenzweig beinhaltet die Reihenschaltung von zwei Dioden (V4 und V6), im zweiten Brückenzweig ist die Reihen­ schaltung von zwei Dioden (v3 und V5) angeordnet.

Die Dioden (V4 und V6) im ersten Brückenzweig sind in Stromflußrichtung gegensinnig angeordnet. Die Strom­ flußrichtung der Diode (V4) weist hierbei in Richtung auf die Diode (V6) und die Stromflußrichtung der Diode (V6) in Richtung auf die Diode (V4).

Im zweiten Brückenzweig liegt ebenfalls eine gegensin­ nige Anordnung bezüglich der Stromflußrichtung der Di­ oden (V3 und V5) vor. Hier ist die Anordnung derart ge­ wählt, daß die Stromflußrichtung der Diode (V3) von der Diode (V5) wegweist und daß gleichfalls die Strom­ flußrichtung der Diode (V5) von der Stromflußrichtung der Diode (V3) wegweist.

Durch die vorgeschlagene Anordnung sind die Dioden (VB und V6) an den Null-Leiter (N) des Wechselstromnetzes angeschlossen und die Dioden (V3 und V4) sind mit dem­ jenigen Anschluß der Last verbunden, der dem Phasenlei­ ter (L) des Wechselstromnetzes abgewandt angeordnet ist.

Der erste Brückenzweig weist zwischen den Dioden (V4 und V6) einen Mittelabgriff auf, der an einen DRAIN- Anschluß bzw. einen Emitter eines Transistors (V7) an­ geschlossen ist. Ein Source-Anschluß beziehungsweise ein Kollektor des Transistors (v7) ist an einen Mit­ telabgriff des zweiten Brückenzweiges angeschlossen, der zwischen den Dioden (V3 und V5) angeordnet ist.

Bei einem durchgeschalteten Transistor (V7) erfolgt ein Stromfluß bei positiver Polarität am Phasenanschluß (L) durch die Last, die Diode (V4), den Transistor (V7) und die Diode (V5) hindurch, bei negativer Polarität am Phasenanschluß (L) erfolgt der Stromfluß durch die Di­ ode (V6), den Transistor (V7), die Diode (V3) und die Last hindurch. Die Stromflußrichtung durch den Transi­ stor (V7) ist somit stets die gleiche.

Eine Aktivierung des Gates beziehungsweise eines Ba­ sisanschlusses des Transistors (V7) erfolgt mit Hilfe eines Schalters (S1). Zur Gewährleistung eines erfor­ derlichen Spannungspotentials zwischen dem Gate und dem Sourceanschluß des Transistors (V7) erfolgt bei ge­ schlossenem Schalter (S1) eine Parallelschaltung eines Kondensators (C1) und einer Zener-Diode (V1) zur Gate- Source-Strecke des Transistors (V7). Die Zener-Diode (V1) ist dabei in Stromflußrichtung vom Source-Anschluß in Richtung auf das Gate orientiert. Die Anordnung der Parallelschaltung der Zener-Diode (V1) und des Konden­ sators (C1) erfolgt auf derjenigen Seite des Schalters (S1), die dem Transistor (V7) abgewandt ist. Auf der dem Transistor (V7) zugewandten Seite des Schalters (S1) erfolgt eine zusätzliche Parallelschaltung eines Widerstandes (R2) zur Gate-Source-Strecke des Transi­ stors (V7).

Zur Ermöglichung eines polaritätsgerechten Stromflusses zum Gate des Transistors (V7) bei geschlossenem Schal­ ter (S1) und zu einem Laden des Kondensators (C1) ist der Phasenanschluß (L) des Wechselstromnetzes über die Reihenschaltung einer Diode (V2) und eines Widerstandes (R1) mit der Verbindungsstelle des Schalters (S1), des Kondensators (C1) und der Zener-Diode (V1) verbunden.

Die Stromflußrichtung der Diode (V2) ist dabei derart gewählt, daß ein Stromfluß in Richtung auf den Wider­ stand (R1) möglich ist.

Besonders zweckmäßig ist eine Realisierung des Transi­ stors (V7) als Feldeffekt-Transistor, da eine Schaltung des Laststromes hier lediglich mit Hilfe eines elektri­ schen Feldes und nicht mit Hilfe eines Steuerstromes erfolgt. Es kann somit mit einer sehr kleinen Steuer­ leistung eine große Nutzleistung geschaltet werden.

Ein Betrieb der Schaltungsanordnung ist direkt am Wech­ selstromnetz möglich, separate Vorwiderstände mit ent­ sprechender Leistungsaufnahme sind nicht erforderlich. Alternativ zur Verwendung eines Feldeffekt-Transistors kann der Transistor (v7) aber auch als bipolarer Tran­ sistor ausgebildet sein. Die Dioden (V3, V4, V5, V6) können beispielsweise als separate Bauelemente reali­ siert sein, es ist aber ebenfalls möglich, einen inte­ grierten Brückengleichrichter zu verwenden.

Die grundsätzliche Funktion erklärt sich daraus, daß über die Diode (V2) und den Widerstand (R1) eine Hilfs­ gleichspannung erzeugt wird, die am Kondensator (C1) anliegt und über die Zener-Diode (V1) begrenzt ist. Beim Schließen des Schalters (S1) liegt diese Hilfs­ gleichspannung am Widerstand (R2) und somit an der Ga­ te-Source-Strecke des Transistors (V7) an. Der Transi­ stor (V7) schaltet in Folge somit durch. Der Schalter (S1) kann mechanisch oder seinerseits als Halbleiter­ schalter realisiert sein.

Die Spannungspolarität am Widerstand (R2) bleibt trotz des Verlaufes der Spannung im Wechselstromnetz erhal­ ten, da über den Kondensator (C1) trotz eines wandern­ den Bezugspotentials die Polarität am Widerstand (R2) aufrecht erhalten bleibt.

Gemäß der Schaltungsvariante in Fig. 2 ist der Wider­ stand (R2) im Verbindungszweig zwischen dem Kondensator (C1) und der Basis des Transistors (V7) angeordnet. Die Potentialzuschaltung erfolgt hier über den Schalter (S1), der parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Transistors (V7) liegt. Bei dieser Schaltungsvariante führt ein geöffneter Schalter (S1) zu einem Durchschal­ ten des Transistors (V7) und ein geschlossener Schalter (S1) zu einem Sperren des Transistors (V7) durch Poten­ tialgleichheit am Gate und am Source-Anschluß.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Schalten von Wechselströmen, die mindestens ein elektrisch ansteuerbares Schaltele­ ment und Verbindungsanschlüsse für eine Last sowie für eine Wechselstromversorgung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement als ein Transistor (V7) ausgebildet ist, dessen DRAIN- Anschluß beziehungsweise Emitter an einen ersten Brückenzweig einer Diodenstrecke und dessen Source- Anschluß beziehungsweise Kollektor an einen zweiten Brückenzweig der Diodenstrecke angeschlossen ist und bei der jeder Brückenzweig jeweils mindestens zwei ausgehend von den Anschlüssen des Transistors (V7) in Stromflußrichtung gegensinnig angeordnete Dioden (V3, V4, V5, V6) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die in Stromflußrichtung gegensinnige An­ ordnung der Dioden (V3, V4, V5, V6) derart reali­ siert ist, daß bei wechselnder Polarität des Wech­ selstromnetzes eine stets gleiche Stromflußrichtung durch den Transistor (V7) realisiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transistor (V7) als ein Feldef­ fekt-Transistor ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transistor (V7) als ein bipolarer Transistor ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß parallel zur Gate-Source- Strecke beziehungsweise zur Basis-Kollektor-Strecke (V7) ein Kondensator (C2) schaltbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) über die Reihenschaltung eines Widerstandes (R1) und ei­ ner Diode (V2) an einen Phasenanschluß (L) des Wechselstromnetzes angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (C1) eine Zener-Diode (V1) geschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die am Kondensator (C1) anliegende Spannung über einen Widerstand (R2) und einen Schalter (Sl) an die Gate-Source-Strecke be­ ziehungsweise die Basis-Kollektor-Strecke des Tran­ sistors (V7) anlegbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schalter (S1) den Kondensator (C1) mit dem Gate oder der Basis des Transistors (V7) ver­ bindet und daß der Widerstand (R2) parallel zur Ga­ te-Source-Strecke beziehungsweise der Basis- Kollektor-Strecke des Transistors (V7) geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Widerstand (R2) den Kondensator (C1) mit dem Gate oder der Basis des Transistors (V7) verbindet und daß der Schalter (S1) parallel zur Gate-Source-Strecke beziehungsweise der Basis- Kollektor-Strecke des Transistors (V7) geschaltet ist.